烤箱溫度均勻性研究概述

王伯燕

國(guó)外烤箱研究現(xiàn)狀

1905年，美國(guó)GE公司設(shè)計(jì)出了世界第一臺(tái)電烤箱，其他企業(yè)開始爭(zhēng)相效仿，力爭(zhēng)研究具有不同特色的電烤箱產(chǎn)品。就當(dāng)前而言，研究烤箱腔體內(nèi)部溫度均勻性控制的方法主要有兩種，一是試驗(yàn)測(cè)試，二是數(shù)值模擬。對(duì)于試驗(yàn)測(cè)試法，需要投入大量的資金來(lái)制造測(cè)試樣品，而且研究周期長(zhǎng)；對(duì)于數(shù)值模擬法，經(jīng)濟(jì)成本較低，研究周期短，還能對(duì)不同環(huán)境下電烤箱的工況進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬分析，因此在電烤箱腔體溫度均勻性研究中得到廣泛的應(yīng)用。

Emine等人基于數(shù)值模擬方法，研究測(cè)定了輻射壁式烤爐烤制的裹粉雞塊和非裹粉雞塊的品質(zhì)特性，通過(guò)與常規(guī)烤爐烤制和深脂烤爐烤制的樣品進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果表明輻射式壁爐能有效降低雞塊的脂肪含量。Isik等人研究了電烤箱表面的熱輻射特性。試驗(yàn)對(duì)高反射率（涂黑）、低發(fā)射率和混合發(fā)射率三種不同表明發(fā)射組合進(jìn)行了研究和分析，比較了三種不同模型烤箱的能耗和烘烤時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，混合發(fā)射率模型有最高的熱輻射量和最小的熱損失。Uro？等人在研究過(guò)程中建立了包含熱對(duì)流和熱輻射的三維數(shù)值模型，提出了改善強(qiáng)制對(duì)流電烤箱烘焙性能的方案，借助烘焙食物的褐變程度與烤箱腔體溫度均勻性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)烤箱腔體內(nèi)溫度與食物的褐變呈線性相關(guān)。Seo等人在研究中發(fā)現(xiàn)以往的研究雖然已經(jīng)建立了分析面包烘烤過(guò)程的CFD模型，但在評(píng)價(jià)面包褐變的分析方面存在不足。Ramirez等人提出了一種新的電烤箱傳熱傳質(zhì)模型，并對(duì)其內(nèi)部負(fù)載進(jìn)行了分析。同時(shí)還建立了一個(gè)估算熱負(fù)載水份蒸發(fā)速率的計(jì)算公式，將其集成到模型中，讓傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象互相關(guān)聯(lián)。對(duì)不同烘焙方法進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，給出了能量和功率隨時(shí)間的分布關(guān)系。IsIeroglu等人使用COMSOL Multiphysics軟件模擬了蒸汽輔助混合爐烹飪過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。對(duì)蒸汽輔助混合爐的溫度和水份分布進(jìn)行了位置和時(shí)間關(guān)系的預(yù)測(cè)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較驗(yàn)證得出，模型可用于預(yù)測(cè)蒸汽輔助混合爐的蒸煮時(shí)間。Kokoli等人介紹了一種時(shí)變?nèi)S計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，該模型可以對(duì)強(qiáng)制對(duì)流烤箱的烘烤性能和褐變等級(jí)進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)。模擬了風(fēng)扇和加熱元件同時(shí)工作時(shí)烤箱腔體內(nèi)熱空氣的流動(dòng)和傳熱。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在模型中加入水份的蒸發(fā)是必要的，通過(guò)對(duì)溫度的試驗(yàn)測(cè)量和酥餅烘烤試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。Ciarmiello等人介紹了一種新型的那不勒斯披薩烤爐的熱環(huán)境數(shù)值研究。建立了一個(gè)基于有限體積法的三維數(shù)值模型來(lái)模擬非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況。模擬烤箱的熱輻射和熱對(duì)流的邊界效應(yīng)，同時(shí)考慮了內(nèi)壁的熱輻射效應(yīng)，結(jié)果表明電烤箱考出的披薩餅品質(zhì)較好。

國(guó)內(nèi)烤箱研究現(xiàn)狀

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)針對(duì)烤箱的研究起步較晚，研究也比國(guó)外少。莊江婷等人選擇工業(yè)煙草烘箱，開展了相關(guān)的數(shù)值模擬，對(duì)烘箱內(nèi)存在的壓力場(chǎng)以及對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)進(jìn)行分析，制定了有效的改善方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)烘箱內(nèi)煙草干燥均勻度的提升。劉暢等人基于偏微分方程對(duì)多樣化形狀烤箱應(yīng)用過(guò)程中面包形狀的選擇進(jìn)行了深入分析和研究，希望可以獲取能避免烤糊現(xiàn)象的最優(yōu)面包形狀。姚靖等人借助MATLAB軟件對(duì)電烤箱內(nèi)部溫度存在溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行求解，對(duì)正在加熱過(guò)程中的食物熱分布狀況進(jìn)行了分析和比對(duì)，得出結(jié)論，圓形容器的面包形狀能夠更大化避免烤糊的發(fā)生。張藍(lán)心等人基于差異化的運(yùn)行模式出發(fā)，研究和論述了電烤箱腔體內(nèi)溫度場(chǎng)變化的情況，對(duì)烤箱內(nèi)部蓋板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整，對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行了合理的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了烤箱內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻性的提升。王璟等人對(duì)烤箱腔體內(nèi)不同環(huán)境下的傳熱機(jī)理進(jìn)行了深入研究和分析，借助熱量交換的計(jì)算，明確了有效的換熱方式。李海運(yùn)基于烤箱內(nèi)部空氣流動(dòng)和熱分布情況進(jìn)行研究和試驗(yàn)，通過(guò)CFD數(shù)值模擬分析對(duì)烤箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，有效地改善了烤箱內(nèi)部溫度均勻性。

結(jié)語(yǔ)

就當(dāng)前研究成果進(jìn)行分析可知，國(guó)內(nèi)針對(duì)烤箱改進(jìn)開展的研究，大都側(cè)重于加熱管功率的提升、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的加快或是對(duì)排氣口位置的優(yōu)化等，對(duì)影響烤箱內(nèi)部溫度均勻性的研究較少。雖然現(xiàn)在烤箱研發(fā)不僅研究烤箱墻體內(nèi)溫度均勻性，還會(huì)考慮食物烘焙效果，但如何將烤箱腔體內(nèi)溫度分布與烘焙效果同步用于烤箱溫度均勻性提升和優(yōu)化仍然需要持續(xù)地研究與探索。烤箱內(nèi)部溫度分布的研究還應(yīng)考慮溫度控制過(guò)程，充分地利用PID控溫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的控溫技術(shù)提升烤箱控溫效果及內(nèi)部溫度均勻性。目前烘焙褐變效果可以通過(guò)數(shù)字化的測(cè)試手段實(shí)現(xiàn)，但是食物口感主要靠測(cè)試人員的主觀評(píng)價(jià)，數(shù)字化及重復(fù)性高的測(cè)試手段也是一個(gè)重要的研究課題。